Spalování zemního plynu

Transkript

1 Kotel na odpadní teplo pro PPC Kotel na odpadní teplo pro PPC Označení KNOT (Doc. Kolovratník) HRSG = Heat Recovery Steam Generator Funkce dochladit spaliny odcházející z plynové turbíny vyrobit páru pro pohon parní turbíny Dvě základní koncepce bez přitápění pro PPE s přitápěním teplárenské aplikace 1 2 Zemní plyn je nejčastěji užívaným palivem pro pohon plynových turbín typické složení a výhřevnost zemního plynu CH 4 0, C 2 H 6 0, C 3 H 8 0, C 4 H 10 0, C 5 H 12 0, C 6 H 14 0, CO 2 0, N 2 0, Výhřevnost plynu kj/nm kj/kg 3 Spalování zemního plynu výsledky stechiometrického výpočtu Nm 3 /Nm 3 Nm 3 /kg Spotřeba vzduchu : minimální objem kyslíku 2,0009 2,7401 minimální objem suchého vzduchu 9, ,0792 minimální objem vlhkého vzduchu 9, ,2885 Vzniklé spaliny : objem oxidu uhličitého 1,0022 1,3680 objem oxidu siřičitého 0,0000 0,0000 objem dusíku 7, ,2299 objem vzácných plynů 0,0877 0,1205 objem suchých spalin 8, ,7185 objem vodní páry ve spalinách 2,1075 2,9411 objem vlhkých spalin 10, , Spalování zemního plynu Závislost adiabatické spalovací teploty na součiniteli přebytku vzduchu Spalování zemního plynu složení spalin na výstupu ze spalovací turbíny Teplota C Tlak max. 0,03500 bar Složení N 2 74,59 %vol. O 2 12,62 %vol. CO 2 3,73 %vol. H 2 O 8,19 %vol. Ar 0,87 %vol. 5 obsah O 2 = 12,62 % odpovídá spalování s přebytkem vzduchu ~ 2,35 6 1

2 bez přitápění s přitápěním 7 8 s přitápěním mřížový hořák bez přívodu vzduchu s přitápěním mřížový hořák 1-stabilizační mříž, 2-rám, 3-hořák, 4-izolace, 5-přívod paliva, 6-zapalovací elektroda, 7-palivový otvor, 8-stabilizace 9-uzávěr 9 10 Specifika kotle na odpadní teplo kotel nemá spalovací zařízení rozdíly proti klasickým kotlům jsou výrazně nižší teplotní úroveň spalin v kotli => důsledky nižší parametry páry pokles teplotních spádů na výhřevných plochách použití žebrovaných trubek obvykle vícetlaký systém přísně protiproudé uspořádání a zapojení výhřevných ploch v kotli ryze konvekční charakteristika všech ploch chybí ohřívák vzduchu => horší podmínky pro dochlazení spalin za kotlem 11 Q-t diagram uhelného kotle 12 2

3 Definice pinch pointu a approach pinch point = koncový teplotní rozdíl approach = nedohřev jednotlaký systém jednotlaký systém Teplotní poměry v HRSG určení optimálních teplotních poměrů je složitá úloha výsledek je funkcí řešení energetických bilančních rovnic podmínek přenosu tepla ve spalinovém kotli do výpočtu vstupuje hmotnostní průtok spalin z plynové turbíny M s hmotnostní průtok vody vstupující do kotle M w jejich podíl y = M w / M s teploty médií v uzlových bodech Tepelná bilance HRSG c p (t 4 t 5 ) = y (i 6 i 8 ) c p (t 4 t 5) = y (i 6 i 9 ) c p (t 5 t 5 ) = y (i 9 i 8 ) = = y c w (t 9 t 8 ) současně musí platit (t 5 t 8 ); (t 5 t 9 ); (t 4 t 6 ) > Δt min Δt min má rozhodující vliv na velikost výhřevných ploch Δt min se volí 5 až 40 C jednotlaký systém teplota t 5 určuje velikost komínové ztráty, a tedy i účinnosti HRSG je funkcí y a Δt min

4 jednotlaký systém Tepelná bilance HRSG při zmenšování y teplota t 5 roste při y = 0 oběh přechází v oběh spalovací turbíny při daných t 4, y a Δt min dostaneme malou hodnotu komínové ztráty v případě jednotlakového systému nízkými parametry parního oběhu t 9 použitím dvoutlakového oběhu dvoutlaký systém dvoutlaký systém třítlaký systém třítlaký systém

5 třítlaký systém třítlaký systém třítlaký systém porovnání z hlediska parametrů páry Koncová teplota spalin HRSG nemá ohřívák vzduchu koncovou plochou kotle je EKO při t NVmin = 105 C by byla koncová teplota spalin příliš vysoká a účinnost kotle nízká pro lepší dochlazení spalin se za EKO řadí ještě spalinový regenerační ohřívák napájecí vody, který je zapojen k parnímu regeneračnímu ohřevu sériově paralelně

6 Spalinový regenerační ohřívák zapojený sériově k parnímu regeneračnímu předehřevu Spalinový regenerační ohřívák zapojený paralelně k parnímu regeneračnímu předehřevu Účinnost HRSG účinnost závisí na vstupní teplotě spalin výstupní teplotě spalin přebytku spalovacího vzduchu velikosti a teplotě povrchu kotle Příklad: vstupní teplota spalin 580 C výstupní teplota spalin 90 C přebytek spalovacího vzduchu 2,35 ztráta sdílením tepla do okolí 0,5 % účinnost HRSG vztažená k teplu spalin na vstupu 88 % účinnost HRSG vztažená k výhřevnosti plynu 93,5 % účinnost samotného HRSG se obvykle negarantuje a není předmětem přejímacího řízení garantuje se účinnost PPC 33 Účinnost HRSG (vztaženo ke spalnému teplu) 34 Vliv výkonu na účinnost PPC Optimalizace návrhu HRSG složitá úloha s velkým počtem stupňů volnosti optimalizovanými parametry jsou koncová teplota spalin počet tlakových hladin pinch point a nedohřev na výhřevných plochách dělení a řazení výhřevných ploch Provádí se pomocí výpočtových softwarů Thermoflow (GT PRO) Gate Cycle (GE) Tempo Cycle (volně šiřitelný)

7 Vliv pinch pointu na velikost a cenu plochy Konstrukční provedení HRSG Konstrukční varianty horizontální uspořádání vertikální uspořádání Provedení výparníku bubnové s přirozenou nebo nucenou cirkulací průtočné Pracovní tlak podkritický nadktirický Horizontální HRSG Horizontální HRSG výparník s přirozenou cirkulací je z technického hlediska jednodušší Vertikální HRSG Vertikální HRSG výparník s nucenou cirkulací vhodné pro případy s prostorovým omezením ohyb proudu spalin před vstupem je zdrojem větší nerovnoměrnosti proudění v prvních plochách

8 Horizontální x vertikální konstrukce Výhody vertikálního provedení menší zastavěný půdorys menší velikost kotle z důvodu použití trubek menšího průměru menší citlivost na vznik parních zátek v EKU při najíždění Výhody horizontálního provedení rovnoměrnější průřezové rozdělení spalin za GT přirozená cirkulace nevyžaduje čerpadlo platí do tlaku 100 bar vertikální orientace trubek ve výparníku podporuje cirkulaci v tepelně více zatížených trubkách Zásadní rozdíl není výrobci nabízejí obě provedení Celosvětově převažují instalace horizontálních kotlů s přirozenou cirkulací 43 Systém výparníku HRSG s přirozenou s nucenou průtočný cirkulací cirkulací 44 Výparník s přirozenou cirkulací Výparník s přirozenou cirkulací Výparník s nucenou cirkulací Přechod z cirkulačního na Bensonův průtočný systém výparníku

9 Provedení průtočného výparníku Zapojení průtočného výparníku Rozložení průtoku a tepelného zatížení na vysokotlakém průtočném výparníku Zkrácení doby najíždění u průtočného systému výparníku Zkrácení doby najíždění u průtočného systému výparníku Zkrácení doby najíždění u průtočného systému výparníku

10 Cirkulační x průtočný výparník Nevýhody cirkulačního systému výparníku vyžaduje buben s rostoucím tlakem (nad 100 bar) klesá cirkulační číslo riziko špatného chlazení trubek menší provozní pružnost v důsledku většího vodního objemu Výhody průtočného systému výparníku odpadá buben neexistuje tlakové omezení zkrácení doby pro najíždění a změnu výkonu 55 Nadkritický HRSG Podmínkou výroby páry s nadkritickým tlakem v HRSG je užití průtočného systému výparníku vyšší teplota spalin na výstupu z GT Motivace zvýšení účinnosti bloku zjednodušení koncepce HRSG Z pohledu klasických bloků se jedná pouze o mírně nadkritické parametry 56 Vliv parametrů páry na účinnost PPC Nadkritický HRSG přechodem na nadkritický tlak mizí pinch point na začátku výparníku roste teplota spalin za VT Nový jednotlaký nadkritický HRSG

11 Nový jednotlaký nadkritický HRSG Provedení výhřevných ploch HRSG základním stavebním prvkem je žebrovaná trubka Provedení výhřevných ploch HRSG základním stavebním prvkem je žebrovaná trubka Provedení výhřevných ploch HRSG základním stavebním prvkem je žebrovaná trubka Provedení stěn HRSG Stěny HRSG jsou většinou nechlazené Dvě možnosti studené provedení s vnitřní izolací horké provedení s vnější izolací Studené provedení stěn výhodné při vysoké teplotě spalin za GT běžnější u kotlů s přirozenou cirkulací Horké provedení stěn výhodné při nižší teplotě spalin za GT běžnější u vertikálních kotlů může trpět korozí na studeném konci

12 Modulová koncepce HRSG Modulová koncepce HRSG Modulová koncepce HRSG DeNOx preferována metoda SCR redukčním činidlem je čpavek levnější močovina DeNOx katalyzátorem jsou oxidy těžkých kovů (Ti, V, W, Mo, Cu, Cr) (300 až 450 C) zeolity aluminosilikáty (350 až 600 C) oxidy železa s obsahem fosforečnanů železa aktivní uhlí (100 až 220 C) DeNOx

13 DeNOx Provozní rizika HRSG vysokoteplotní koroze u ZP při vhodné volbě materiálu riziko malé spalování oleje a mazutu riziko vanadové koroze (V 2 O 5 ) na přehřívácích s teplotou nad 500 C riziko sírové koroze v kombinaci s chlorem Provozní rizika HRSG nízkoteplotní koroze u ZP riziko malé nízká teplota rosného bodu spalin riziko roste při spalování sirnatých plynů nebo mazutu Provozní rizika HRSG zanášení výhřevných ploch u ZP riziko malé při spalování oleje zanášení žebrovaných trubek je třeba volit větší rozteč žeber a plochy čistit